葉片可擺動(dòng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)

在達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)一節(jié)中我們說(shuō)過：為了使達(dá)里厄風(fēng)輪不失速運(yùn)行，葉尖速比至少要大于3，在風(fēng)輪啟動(dòng)過程中，葉尖速比是從小增大的，為了使風(fēng)輪在葉尖速比小于3能運(yùn)行，就必須使用可調(diào)攻角的葉片，也就是說(shuō)葉片角度要可以改變。

圖1是可擺動(dòng)葉片在不同位置的擺動(dòng)示意圖，表示在葉尖速比僅1.5時(shí)的葉片姿態(tài)。當(dāng)葉片在向風(fēng)側(cè)（90度）時(shí)，相對(duì)風(fēng)速與葉片運(yùn)行方向夾角接近34度，為保證不失速運(yùn)行，葉片向內(nèi)擺22度，這樣葉片與相對(duì)風(fēng)速的攻角只有12度，不會(huì)進(jìn)入失速狀態(tài)。葉片在背風(fēng)側(cè)（270度）時(shí)，葉片向外擺22度，也不會(huì)進(jìn)入失速狀態(tài)。

擺動(dòng)的葉片即可解決達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)不能自起動(dòng)的問題，又可改善達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的工作特性。

垂直軸風(fēng)力機(jī)的攻角控制比水平軸風(fēng)力機(jī)麻煩多了，水平軸風(fēng)力機(jī)僅在風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)才改變攻角，改變角度也不大；而垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的攻角在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)是不斷變化的，即使風(fēng)速不變?cè)诓煌恢眯枰臄[角也是不同的，其擺角的變化是連續(xù)不間斷的，風(fēng)輪每旋轉(zhuǎn)一周葉片按規(guī)律左右來(lái)回?cái)[動(dòng)一次。對(duì)于小型風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為每秒數(shù)轉(zhuǎn)，葉片每秒就要左右來(lái)回?cái)[動(dòng)數(shù)次。

控制葉片擺動(dòng)的理想方法是采用微處理器根據(jù)功率要求、風(fēng)向與風(fēng)速調(diào)節(jié)翼片的擺角，使葉片在各個(gè)位置上都能產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，采取這樣技術(shù)的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)效率完全可以達(dá)到水平軸風(fēng)力機(jī)的水平。但葉片連續(xù)不間斷的頻繁運(yùn)轉(zhuǎn)要求葉片控轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有很高的靈活性與可靠性，制造加工的復(fù)雜與控制系統(tǒng)的可靠性要求使之成本高昂，只適用于大中型風(fēng)力機(jī)，而且目前用于控制的數(shù)學(xué)模型還不成熟，尚無(wú)真正的應(yīng)用案例。

采用機(jī)械控制機(jī)構(gòu)來(lái)控制葉片角度主要有凸輪控制式與擺線控制式，凸輪控制式可得到較理想的角度變化，但控制變化規(guī)律是固定的，每個(gè)位置的擺動(dòng)角度是不變的，對(duì)于不同的風(fēng)速適應(yīng)性較差，而且需要對(duì)風(fēng)裝置。擺線控制式的角度變化不是最佳的，但可以改變控制角度的大小，以適應(yīng)氣流速度與負(fù)載的變化，也需要對(duì)風(fēng)裝置。

總的說(shuō)來(lái)采用機(jī)械連桿、凸輪、滑塊的控制方式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用在風(fēng)力機(jī)中顯得龐大笨重，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲也大，一般只用在潮流發(fā)電裝置中作水輪機(jī)使用。

本節(jié)不介紹上述類型的風(fēng)力機(jī)，僅介紹靠風(fēng)力推動(dòng)葉片擺動(dòng)的風(fēng)力機(jī)。

葉片采用對(duì)稱翼型，為長(zhǎng)直型，葉片上有葉片轉(zhuǎn)軸，葉片轉(zhuǎn)軸在葉片弦線上，在葉片壓力中心前方，也就是在弦線四分之一前，風(fēng)力就可推動(dòng)葉片擺動(dòng)，圖2是葉片轉(zhuǎn)軸位置圖。

葉片通過葉片轉(zhuǎn)軸安裝在風(fēng)輪支架上，圖3是一個(gè)葉片（截短圖）與支架（部分圖）。

在支架上有兩個(gè)擋塊，限制葉片的擺動(dòng)角度，葉片可在限制范圍內(nèi)正負(fù)方向擺動(dòng),見圖4。

在靜止時(shí)，在風(fēng)的作用下兩個(gè)葉片分別擺向不同位置，對(duì)風(fēng)的阻力不同，兩葉片的阻力差就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。這就解決了自起動(dòng)問題，在有三個(gè)以上葉片時(shí)，效果更好。圖5是風(fēng)輪兩側(cè)對(duì)稱的兩個(gè)葉片在風(fēng)作用下的初始狀態(tài)。

葉片隨風(fēng)擺動(dòng)可使風(fēng)力機(jī)在較低的尖速比時(shí)能較好的工作，以適應(yīng)較寬的風(fēng)速范圍。葉片旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)時(shí)，葉片向風(fēng)輪內(nèi)側(cè)偏擺，葉片旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪背風(fēng)側(cè)時(shí)，葉片向風(fēng)輪外側(cè)偏擺，均能形成較大的轉(zhuǎn)矩力，圖6左方是葉片旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)時(shí)受力狀況，圖6右方是葉片旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪背風(fēng)側(cè)時(shí)受力狀況。

這種方式的缺點(diǎn)是葉片順風(fēng)位置較多，葉片在風(fēng)向的兩側(cè)時(shí)是在擋塊中間位置，是隨風(fēng)擺動(dòng)位置，不產(chǎn)生升力，而且擋塊限制的范圍越大，順風(fēng)位置的范圍越大。由于擺動(dòng)角度的限制范圍不變，最大葉尖速比受到限制，如擺動(dòng)的范圍是±15度，葉片的最高葉尖速比就不會(huì)超過4。

從機(jī)械角度講，葉片與與擋桿間的撞擊不但對(duì)結(jié)構(gòu)有損害，也有較大的噪聲。

一種靠離心力的V形滑動(dòng)擋塊可以根據(jù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速改變擋塊的位置，可實(shí)現(xiàn)在不同轉(zhuǎn)速下有不同擺動(dòng)角度限制，在進(jìn)入正常運(yùn)行時(shí)葉片幾乎不擺動(dòng),有較好的效果，但在擺動(dòng)時(shí)仍有撞擊現(xiàn)象。這是國(guó)內(nèi)較早推出的葉片擺動(dòng)控制方法，有興趣者請(qǐng)閱專利《CN 1009569B》。

使葉片擺動(dòng)角度連續(xù)可調(diào)，在風(fēng)速低與轉(zhuǎn)速低時(shí)擺動(dòng)角度大些，在風(fēng)速高與轉(zhuǎn)速高時(shí)擺動(dòng)角度要減小些，擺動(dòng)不要有撞擊現(xiàn)象。一種利用風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力推動(dòng)擋輪來(lái)調(diào)節(jié)葉片擺動(dòng)角度的方法可達(dá)到此目的。

在風(fēng)輪支架靠葉片位置設(shè)置一個(gè)滑道，在滑道上有一個(gè)滑塊，滑塊可在滑道上自由滑動(dòng)，滑塊上有兩個(gè)檔輪，為加大滑塊質(zhì)量附加了一個(gè)離心錘，圖7左圖為該結(jié)構(gòu)頂視圖，右圖為該結(jié)構(gòu)透視圖。由滑塊、兩個(gè)檔輪、離心錘共同構(gòu)成離心滑動(dòng)控制件。

一個(gè)由4個(gè)葉片組成的風(fēng)輪由圖8所示

把風(fēng)輪安裝在風(fēng)力機(jī)主軸架上，風(fēng)輪就會(huì)隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)。離心滑動(dòng)控制件受到離心力作用而緊靠葉片，隨轉(zhuǎn)速增高其對(duì)葉片的壓力加大。在圖9中，是在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，離心滑動(dòng)控制件對(duì)葉片的壓力較小，風(fēng)力推動(dòng)葉片以較大角度偏擺，使葉片能在不失速的情況下工作，以取得較大的升力矩推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。

在圖10中，是在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，離心滑動(dòng)控制件對(duì)葉片壓力較大，風(fēng)力僅能推動(dòng)葉片在較小的角度偏擺，在額定風(fēng)速正常運(yùn)行時(shí)，擺角基本為0，可使葉片在以較大的葉尖速比運(yùn)行，以取得較大的風(fēng)能利用系數(shù)推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。

這種利用離心滑塊控制葉片擺動(dòng)角度的效果是不錯(cuò)的，不但能自起動(dòng)，而且能在較寬的風(fēng)速變化與較寬的負(fù)荷變化時(shí)較好的工作。但為保證葉片擺動(dòng)的靈活性對(duì)滑動(dòng)機(jī)械件加工要求高，滑動(dòng)機(jī)械件的密封與維護(hù)都較麻煩。